Полезно сделать несколько замечаний относительно полупроводников сложного состава, а именно двойных соединений типа Л в, где И и В - обозначения двух разных атомов, индексы означают валентность. К числу таких соединений относятся арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb и др. Полупроводники со структурой АВ также имеют тетраэдрическую кристаллическую решетку типа алмаза, но атомы А и В равномерно распределены в ней так, что в центре каждого А-тетраэдра находится атом В, а в центре каждого В-тет-раэдра - атом А; тетраэдры А и В переплетаются подобно звеньям цепи. Связь между атомами Л и В ковалентна, так как суммарное число валентных электронов у пары атомов Л и В равно восьми, а это соответствует устойчивой восьмиэлектронной оболочке. Донорными примесями для соединений Л В являются элементы VI группы (теллур), а акцепторными - элементы П группы (кадмий

свободная дыр

Рис. 1-6. Замеш.ение примесными атомами основных атомов в решетке.

а - донорная примесь (образуются свободный электрон и неподвижный положительный ион); б - акцепторная примесь (образуются свободная дырка и неподвижный отрицательный ион).

цинк). Донорные атомы замещают атомы В, а акцепторные - атомы Л с образованием соответственно свободного электрона или свободной дырки.

Поскольку в примесных полупроводниках один тип подвижных носителей заряда превалирует над другим, принято называть те носители, которые составляют большинство, основными, а те, которые составляют меньшинство, - неосновными. Так, в р-полу-проводнике основные носители - дырки, неосновные - электроны.

1-3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Количественный анализ полупроводников и полупроводниковых приборов базируется на зонной теории твердого тела.

Как известно, изолированный атом характеризуется-дискретным спектром энергий, разрешенных для электронов (рис. 1-7). Расстояния между последовательными уровнями непрерывно уменьшаются по мере увеличения энергии. Потолком энергетического спектра является уровень ионизации, на котором электрон делается свободным и может покинуть атом. Заполненные уровни

: Энергия i ионизации

I <Р

образуют электронные оболочки атома, которые обозначают цифрами 1, 2, 3... или буквами К, L, М... Оболочки, начиная со второй, разбиваются на подоболочки: 2s, 2р, 3s, Зр, 3d и т. д. Количество оболочек и подоболочек, заполненных электронами, зависит от порядкового номера элемента 1б1, В невозбужденном состоянии атома его верхние уровни всегда свободны. Твердое тело представляет собой множество атомов, сильно взаимодействующих благодаря малым межатомным расстояниям. Поэтому всю совокупность атомов в куске твердого тела следует рассматривать как единое целое, как гигантскую молекулу, которая подобно атому характеризует-, ся некоторым единым для всего тела энергетическим спектром. Особенность этого спектра в том, что он состоит не из дискретных разрешенных уровней, а из дискретных разрешенных зон. Каждая зона происходит от соответствующего атомного уровня, который как бы расщепляется при сближении атомов (рис. 1-8). Таким образом, для кристалла с межатомным расстоянием do получается определенная зонная диаграмма (рис. 1-9 и следующие), в которой разрешенные зоны чере-

Р\п-оболочка. ---si

оболочка.

Изолированный атом,

ооолочиа 1 и уровень ядра далеко внизу

Vwu 1-7. Энергетические уровни изолированного атома.

а) б)

Рис. 1-8. Превращение разрешенных энергетических уровней отдельного атома в разрешенные энергетические зоны твердого тела.

а - общий случай; б - структура алмаза

дуются С запрещенными зонами [21. Ширина тех и других обычно не превышает нескольких электронвольт и не зависит от числа атомов в твердом теле, т. е. от его размеров.

Строго говоря, разрешенные зоны имеют дискретную структуру и состоят из стольких уровней, сколько атомов имеется в дан-

Металл Полупроводник Диэлектрик

Зона проводимости

Зона проводимости

Зона проводимости

Запрешенная зона

Запрещенная зона

Запрещенная зона.

-Валентная- - зонл-

ном теле 11]. Однако количество атомов даже в микроскопических объемах настолько велико, что энергетические расстояния между уровнями зоны в реальных случаях не превышают 10 эВ, т. е. разрешенные зоны практически можно считать сплошными.

Нижние энергетические уровни атомов обычно не образуют зон, так как внутренние электронные оболочки слабо взаимодействуют в твердом теле, будучи экранированы внешними оболочками. В связи с этим нижние уровни сохраняют свою индивидуальность и их показывают. на зонной диаграмме в виде штриховой линии, где каждый штрих как бы соответствует одному атому (рис. 1-8).

В ряде случаев разрешенные зоны перекрываются, и тогда соответствуюш,ая запрещенная зона может отсутствовать. Такое перекрытие всегда имеет место в верхней части спектра, поскольку верхние уровни в отдельном атоме расположены весьма близко друг к другу. В результате энергетический спектр твердого тела содержит единую верхнюю зону и полное число зон в отличие от числа уровней в атоме оказывается конечным.

Энергетические расстояния между разрешенными зонами (т. е. ширина запрещенных зон) определяется энергией связи

электронов с атомами решетки. Поэтому граничные энергетические уровни, образующие дно и потолок каждой разрешенной зоны, соответствуют чисто потенциальной энергии электронов, т. е. их неподвижному состоянию. Любой уровень, расположенный внутри разрешенной зоны, соответствует сумме потенциальной и кинетической энергии. Иначе говоря, кинетическая энергия электронов возрастает по мере удаления от границы в глубь зоны и достигает максимума в ее средней части.

Проводимость в твердом теле возможна лишь тогда, когда возможен переход электрона на ближайший энергетический уровень. Значит, в проводимости могут участвовать электроны только тех зон, в которых есть свободные уровни. Такие свободные уровни всегда имеются в верхней разрешенной зоне. Поэтому верхнюю зону твердого тела, не заполненную (или не полностью заполненную) электронами при нулевой абсолютной температуре, называют зоной. проводимости.

zBaлeнmнaя:z -зона.--

Рис. 1-9. Зонная структура при Г = О К.

а - металла; б - полупроводника; в - диэлектрика.